风浪流联合作用下油气资源开发保障平台系泊系统响应的计算分析

2019-05-09袁洪涛1陈正豪陈刚2孔令海

船海工程 2019年2期

关键词：偏移量系泊风浪

袁洪涛1,2，陈正豪，陈刚2，孔令海

(1.哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001;2.上海外高桥造船有限公司，上海 200137;3.江苏科技大学，江苏镇江 212003)

在恶劣的海洋环境条件下，平台的系泊定位能力尤为重要，为了准确预报平台在风浪流联合作用下的动力响应，国内外很多专家学者做了相应的研究[1-11]。本文采用AQWA计算平台的运动响应及系泊缆的张力响应。

1 平台系泊模型及环境条件

1.1 水动力模型

根据平台的型线图建立有限元模型，平台的主尺度及主要参数见表1，平台的面元模型见图1。

表1 平台主尺度及主要参数 m

图1 平台水动力模型

1.2 系泊参数

目标平台采用多点系泊系统进行定位，系泊缆分为4组，每组4根，船艏船艉各2组，艏艉每组间夹角为55°，每组内系泊缆夹角为5°。系泊缆采用三段式的组合，即：钢链-钢缆-钢链，上部与船体导缆孔连接及底部与锚点连接处为了防止摩擦破坏均用钢链，中间为减轻系泊重量采用钢缆。系泊缆相关参数见表2，系泊布置见图2。

1.3 环境条件

根据相关规范要求，海洋环境条件应选取南海百年重现期有台风的海况。具体的环境参数见表3。

1.4 计算工况

根据工程实践的经验，运动的最大值和张力的最大值可能出现在：风浪同向，流与之夹角为0°、30°、45°、90°；流浪同向，风与之夹角为0°、30°、45°、90°。具体工况见表4。

2 平台频域计算分析

2.1 平台幅值响应算子

由于平台船体是关于中纵剖面对称，因此浪向角选取0°～180°，浪向角间隔45°。平台6自由度运动幅值响应算子见图3。

由计算结果可以看到，对某一运动模态的响应幅值算子不仅与频率有关，与浪向角也有关；由于平台是关于中纵剖面对称，所以在0°和180°浪向、45°和135°浪向的运动幅值响应算子基本相似；就纵荡和横荡而言，在入射波角频率小于0.5 rad/s时产生较大响应，在大于0.5 rad/s时响应基本趋于0，表现出强低频效应；在6自由度运动中横摇运动响应是最大的，主要集中在0.3～0.6rad/s之间，在0.5 rad/s左右，90°浪向角时响应达到最大值，在0.8 rad/s之后响应趋于0；相对于横摇而言，纵摇和艏摇的运动响应比较小，艏摇在顶浪、顺浪、横浪时响应基本为0，只有在斜浪时有一定的响应。

表2 系泊缆参数

图2 系泊布置示意

环境属性波浪波浪谱JONSWAP有义波高/m13.3 谱峰升高因子3谱峰周期/s15.5 风风谱1 h平均风速/( m·s-1)NPD55 流水面流速/( m·s-1)1.97

图3 平台6自由度运动响应RAO

2.2 平台附加质量

平台6自由度附加质量见图4。可以看出，纵摇、艏摇附加质量在量级上大于其他4个自由度，横荡和艏摇附加质量的变化趋势一致，都是先增后减。

图4 平台附加质量

2.3 平台辐射阻尼

平台6自由度辐射阻尼见图5。由计算结果可以看出，纵摇、艏摇辐射阻尼在量级上大于其他四个自由度，并且纵摇和垂荡、艏摇和横荡辐射阻尼的变化趋势一致，都是先增后减。

图5 平台辐射阻尼

3 平台系泊系统时域计算分析

3.1 运动响应分析

对表4中不同风浪流夹角的7种计算工况计算得到的运动响应值见表5。其中最大位移表示平台六自由度偏移量的最大值，标准差表示平台运动的稳定性。由计算结果可以看到，在流浪同向横风即工况7时，平台运动响应到达最大值；流浪同向，风与浪的夹角由0°增加到90°时，平台偏移量最大值逐渐增加，平均值也逐渐增加的；风浪同向，流与浪的夹角由0°增加到90°时，平台偏移量的最大值先增后减再增，但平均值逐渐增加。总体来说风浪同向，流与浪的夹角增加时，平台的偏移量也逐渐增加；风或流与浪有夹角时，斜风产生的平台偏移量比斜流产生的平台偏移量要大，说明平台的运动响应对风载荷更敏感；风浪同向(流浪同向)，流(风)与浪的夹角增加时，平台偏移量的标准差逐渐减小，说明随着流(风)与浪的夹角增加，平台的运动响应稳定性更好，同时斜风的平台偏移量的标准差基本比斜流的平台偏移量的标准差要大，说明斜风的平台运动响应稳定性比斜流的平台运动响应稳定性要差。

表5 不同工况下平台运动响应值 m

3.2 系泊缆张力响应分析

按图2的系泊布置进行系泊，对不同的风浪流夹角分别计算系泊缆的张力响应，计算结果见表6。根据计算结果得出工况7为最危险工况，工况7下系泊缆张力的柱状图见图6，张力最大的系泊缆的张力时历曲线见图7。

可以看到，在流浪同向横风即工况7时，系泊缆张力响应达到最大值，并且其平均值和标准差都达到最大值，说明顶浪、顶流和横风这种工况是最危险的，系泊缆张力大、张力标准差也大，在这种工况下系泊缆易发生疲劳破坏；流浪同向，风与浪的夹角由0°增加到90°时，系泊缆张力最大值逐渐增加，平均值也逐渐增加；风浪同向，流与浪的夹角由0°增加到90°时，系泊缆张力最大值基本是逐渐增加的，平均值也逐渐增加；风或流与浪有夹角时，斜风产生的系泊缆张力比斜流产生的系泊缆张力要大，说明斜风对系泊缆张力的影响要大于斜流；风浪同向，流与浪的夹角增加时，系泊缆张力的标准差是逐渐减小的，说明随着流与浪的夹角增加，系泊缆张力响应的稳定性更好；流浪同向，风与浪的夹角增加时，系泊缆张力的标准差逐渐增加，说明随着流与浪的夹角增加，系泊缆张力响应的稳定性更差；并且在斜风的工况下系泊缆张力的标准差都比斜流的工况下系泊缆张力的标准差要大，说明系泊缆在斜风的工况下更不稳定，更易被破坏。